科學(xué)有魅力！天宮課堂里的實(shí)驗(yàn) 你想復(fù)習(xí)一遍嗎

12月9日，同學(xué)們迎來了期待已久的太空授課。神舟十三號(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在空間站進(jìn)行太空授課。時(shí)隔8年，大家有幸再一次看到航天員的太空“網(wǎng)課”，體驗(yàn)到科學(xué)的無限魅力。

在這次的太空課中，王亞平再現(xiàn)了經(jīng)典場(chǎng)面：永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)的陀螺和漂在空中的水球。當(dāng)然，我們也看到了更多的神奇畫面：乒乓球在水中的浮力消失，紙花在水球表面綻放，泡騰片在水球中產(chǎn)生大量的氣泡……

那么，這些太空中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后都是什么科學(xué)原理呢？本期我們邀請(qǐng)杭二中物理老師王愷來為大家解讀。

太空轉(zhuǎn)身，為啥轉(zhuǎn)不過來

在“天宮課堂”上，航天員葉光富在太空中表演了如何行走，但在轉(zhuǎn)身時(shí)卻怎么都轉(zhuǎn)不過來，這讓很多同學(xué)捧腹大笑。

大家肯定很納悶，平時(shí)在地面上非常容易的走路和轉(zhuǎn)身，為何到了太空里竟然那么艱難？尤其是轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，葉光富“失敗”了好幾次，而且每次他扭轉(zhuǎn)上身，下身就會(huì)不由自主往另一個(gè)方向扭過去，這又是為何？

王愷說，我們?cè)诘厍蛏现阅茌p松前進(jìn)和轉(zhuǎn)身，是因?yàn)榈孛嬗心Σ亮Α６е貭顟B(tài)下飄浮在空中的航天員沒有了摩擦力的幫助，轉(zhuǎn)動(dòng)身體自然就變得很困難。因?yàn)榇藭r(shí)，航天員的角動(dòng)量守恒，所以當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)動(dòng)，下半身就會(huì)向右轉(zhuǎn)。

不過，航天員可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)手臂使身體轉(zhuǎn)動(dòng)，這是因?yàn)檎w的角動(dòng)量守恒。

在我們的生活中，角動(dòng)量守恒也有很多體現(xiàn)。

比如，大家是否注意過，一架普通的單旋翼直升機(jī)的尾部，都有一個(gè)側(cè)向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。如果沒有這個(gè)螺旋槳，主機(jī)翼高速轉(zhuǎn)動(dòng)就如同航天員轉(zhuǎn)動(dòng)的手臂，會(huì)使得直升機(jī)主體反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而尾翼螺旋槳?jiǎng)t可以對(duì)直升機(jī)產(chǎn)生等大反向的作用，從而保持直升機(jī)具有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。

乒乓球?yàn)楹翁硬怀觥八摹?/strong>

在我們生活的地球上，一只乒乓球放入水中會(huì)很自然地浮起來。如果同學(xué)們會(huì)游泳，在水中也能明顯感覺到水給我們身體的浮力。

但是，液體浮力在太空中卻消失了。這次太空課里，王亞平給我們演示了乒乓球像一個(gè)蛋黃一樣安靜地呆在水里，完全不會(huì)浮起來。

為什么太空里沒有浮力了呢？原來，處在液體中的物體所受浮力的來源是上下表面的壓力差。液體深度越大，壓力就越大，它的根本原因是液體受到重力作用。下部的液體需要給上部液體提供支持力，才能平衡上部液體的重力。

既然浮力產(chǎn)生的原因就是因?yàn)橛兄亓?，那么在太空中，處于失重狀態(tài)下的液體自然就沒有浮力了。

水膜是怎么讓紙花綻放的

在“天宮課堂”上，王亞平還用一朵女兒做的紙花，給大家展示了神奇的水膜張力——紙花在水球的表面綻放了！

液體會(huì)有減小表面積的傾向，這種作用力被稱為“表面張力”。在失重環(huán)境下，表面張力可以維持液體的形狀，不會(huì)散開，并且趨向于球形。這是因?yàn)?，相同的體積下，球體表面積是最小的。

所以，在王亞平做的實(shí)驗(yàn)中，那個(gè)還沒有形成正球體的水泡逐漸變得越來越圓。當(dāng)我們把一朵紙花貼在水面上， 它就隨著鼓起來的水球慢慢“綻放”了。

在生活中也可以在一種叫“超疏水”的表面上觀察到球形的水滴。

比如，荷葉表面就是超疏水表面。荷葉能“出淤泥而不染”，正是因?yàn)樗砻嫣厥獾牟馁|(zhì)使得水滴在上面接近球形，并且很容易滾落。還有一種能在水上快速移動(dòng)的小蟲，叫水黽，它們能“水上飄”，也是利用液體的表面張力。

透過水球，人怎么就倒過來了

水球在失重環(huán)境下由于表面張力的作用保持形態(tài)，并且由于其折射率和空氣不同，從而使得光線在穿過時(shí)產(chǎn)生折射，形成匯聚效果，這就形成了一個(gè)凸透鏡。

兩倍焦距以外的物體在穿過凸透鏡后看來就呈現(xiàn)倒立的像，所以我們可以看到，王亞平和葉光富之間的那個(gè)水球，會(huì)讓眼中的彼此呈現(xiàn)一正一倒的視覺效果。

其實(shí)，我們可以在地面上用透明的水瓶裝滿水模擬這個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一定距離外，透過水瓶所看到的世界是顛倒的。

在水球中注入空氣球形成“雙重人像”的實(shí)驗(yàn)有很高的操作難度。由于失重，空氣球不會(huì)因?yàn)槭艿礁×Χ苿?dòng)。在注入空氣球后，由于空氣球的半徑更小，水球的半徑更大。若透過水球中的空氣球觀察物體，空氣球前后的水相當(dāng)于形成了兩片凹透鏡，使得光線穿過時(shí)發(fā)散，從而可以觀察到正立、縮小的物體。在一定距離外，透過近視眼鏡片也可以觀察到類似的現(xiàn)象。

泡騰片的泡泡竟然沒“亂跑”

泡騰片是生活中常見的物品，同學(xué)們能夠很容易自己開展實(shí)驗(yàn)。這次太空實(shí)驗(yàn)中，泡騰片在水中溶解后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)馀?，但由于失重，大部分的氣泡停留在液體球中，只有極少部分的小氣泡由于速度較快脫離水球，并且釋放出香味。

看完這堂“網(wǎng)課”的直播后，記者還收到了兩位同學(xué)提出的問題：在無重力的情況下，泡騰片扔進(jìn)水里會(huì)不會(huì)又自己漂出來了？在無大氣壓強(qiáng)的環(huán)境中，泡騰片的氣泡還會(huì)升上水面破裂嗎？

對(duì)此，王愷老師說，泡騰片扔進(jìn)水里在初速度不快的情況下是不會(huì)漂出來的，這也是液體表面張力的結(jié)果，“可以看到視頻中裝在杯子里的水不會(huì)散得到處都是，也是這個(gè)原因。”

因?yàn)樵跊]有重力的情況下，泡騰片的氣泡不會(huì)升上水面；但是如果沒有大氣壓強(qiáng)，處于真空狀態(tài)，水會(huì)直接沸騰變成水蒸氣，“液體的沸點(diǎn)是和氣壓有關(guān)的，氣壓越低，沸點(diǎn)越低。這就是為什么高原地區(qū)很難煮熟飯，有時(shí)需要使用高壓鍋來烹飪?！?/p>

在看“天宮課堂”時(shí)，同學(xué)們可能注意到了，空間站里的航天員們看上去都“圓潤”了不少，這是為什么？原來，失重環(huán)境會(huì)導(dǎo)致航天員的血液分布和地面不同，下肢的血液上涌，就像是倒立時(shí)一樣。所以，航天員就會(huì)顯得“圓潤”了些。

記者 鄭琳